Введение к работе
Актуальность работы. Высокие темпы развития различных производственных сфер и уровень конкуренции между предприятиями-изготовителями обуславливают необходимость повышения сложности разрабатываемых изделий при условии сохранения высокого уровня их качества. Кроме того, должна обеспечиваться минимизация трудоемкости процессов проектирования и разработки конструкторской документации (КД) на выпускаемые изделия. Для выполнения обозначенных условий и требований широко применяются технологии CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support — непрерывного сопровождения и поддержки жизненного цикла изделий) или ИПИ — информационной поддержки изделий, обеспечивающие интеграцию всех данных об изделии в едином информационном пространстве, использование которых гарантирует возможность своевременного и санкционированного доступа к требуемой информации из любой точки доступа компьютерной вычислительной сети.
Постоянное изменение конфигурации изделия, многопользовательское редактирование его компонентов и, в особенности, необходимость восстановления любого из предыдущих состояний его структуры, обуславливают требование непрерывного накопления информации обо всех модификациях любой из его составляющих. Так, при внесении изменений в структуру, первоначальная копия обычно не модифицируется. Вместо этого создается новая версия, основанная на первоначальной, и изменения вносятся в эту новую версию.
Таким образом, на протяжении всего жизненного цикла изделия происходит накопление большого объема информации, организация которой является крайне важной и сложной задачей. Указанная задача решается посредством систем управления проектными данными PDM (Product Data Management). С помощью PDM-систем обеспечивается доступ к данным об изделии по различным атрибутам и навигация по его иерархической структуре, а также поддерживаются информационные связи между компонентами изделия и описывающей их документацией.
К числу основных функций PDM-систем относится структурирование данных об изделии — представление его в виде объектов, атрибутов и связей. Они составляют электронную структуру изделия (ЭСИ). Все связи в ЭСИ являются направленными и образуют дерево, форма которого удобна для восприятия человеком и внесения изменений: для добавления и удаления объектов-узлов, их перемещения, а также определения новых связей между ними.
В соответствии с ГОСТ 2.053, ЭСИ представляют в виде ориентированного ациклического графа, вершины которого соответствуют компонентам, а дуги, соединяющие вершины, связям между компонентами, определяющим конструкцию изделия. Однако, существует ряд изделий, для описания структуры которых недостаточно одного классического типа связей. К таким изделиям могут быть отнесены комплекты, и к ним не применимы методы формирования классической ЭСИ, а значит, остаются нерешенными задачи накопления, структурирования и последующего использования данных об изделии.
Можно предположить, что указанные задачи могут быть решены разработкой новой базы данных и необходимых управляющих процедур. Однако такой подход ведет
к увеличению многообразия форм хранения данных и, следовательно, к несовместимости работающих на их основе САПР. Поэтому предлагается разработать новый метод формирования электронной структуры таких изделий как комплекты. Поскольку ЭСИ — это стандартизованная форма хранения данных об изделии, такой подход обеспечит возможность управления ими посредством инструментов PDM-систем и использования автоматизированных средств их обработки (в частности, систем автоматизированной разработки документации).
Вопросы представления данных о сложных изделиях обсуждаются в трудах российского учёного Норенкова И. П. Им описываются алгоритмы, методы и средства PDM-систем, которые позволяют решать данную задачу. Из зарубежных авторов, работающих по тому же направлению, следует отметить признанного шведского ученого, Аниту Пэшон-Даликвист (Annita Persson-Dahlqvist), занимающуюся вопросами управления данными промышленных изделий. В её работах освещаются особенности описания отношений между компонентами изделия и методы формирования структуры на различных этапах его жизненного цикла: конструирование, производство и т. п. Из работ российских и зарубежных ученых следует, что классическая ЭСИ определяет информацию о входимости1 ее элементов в соответствии с конструкцией. Однако для компонентов таких изделий как комплекты, определены цели их эксплуатационного применения, зависимость с которыми выражается отношением другого вида. Рассмотрим особенности электронной структуры комплектов.
Согласно ГОСТ 2.101, комплектом является два и более изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера. Из определения следует, что структура комплекта описывается двумя типами связей:
-
классической связью, определяющей конструкцию изделия;
-
связью, отражающей общее эксплуатационное назначение изделий, входящих в состав комплекта.
Например, каждое устройство комплекта измерительной аппаратуры предназначено для обслуживания одного или нескольких приборов. Однако прибор не может быть связан с измерительным устройством связью классического типа, поскольку не является частью его конструкции. Следовательно, для описания общего эксплуатационного назначения изделий комплекта аппаратуры посредством ЭСИ целесообразно использовать понятие целевой связи, описывающей отношение, в котором один объект ЭСИ (целевой) является целью эксплуатационного применения другого.
Использование нового типа отношений в ЭСИ позволит автоматизировать разработку документации для целого ряда изделий, компоненты которых требуют спецификации цели их применения. Данная задача является актуальной в силу того, что по мере внедрения CALS-технологий в производственный цикл предприятий, прослеживается тенденция повышения сложности изделий. При этом обязательным условием поддержания высокой конкурентоспособности остается адаптивность к условиям заказчика. Следовательно, возникает необходимость в совершенствовании изделий, что ведет к постоянном выпуску новой и корректировке существующей документации.
1 Согласно ГОСТ 2.053, понятие, характеризующее использование составных частей изделия в составе конечного изделия или/и его составных частей.
Эти процессы должны происходить быстро и качественно, чтобы своевременно обеспечивать производство и заказчика актуальной информацией.
Для выполнения обозначенных требований в современные системы автоматизированного проектирования (САПР) интегрированы инструменты, позволяющие снизить трудоёмкость разработки некоторых типов текстовой и графической КД посредством обработки данных, содержащихся в ЭСИ. Но для того, чтобы автоматизировать подготовку документации на такие изделия как комплекты, необходимо разработать новые методы формирования и представления их электронной структуры, а также формализовать алгоритмы, которые бы позволили правильно и эффективно её анализировать и использовать.
Важность создания новых методов и алгоритмов автоматизации разработки документации подтверждается широкой областью применения таких изделий как комплекты. К примеру, автоматизация проектирования комплектов запасных частей, инструментов и принадлежностей (ЗИП) является актуальной задачей не только для приборостроения, но и для других отраслей, в которых надежность оборудования является приоритетным требованием: военно-промышленный комплекс, судостроение, авиакосмическая промышленность, электроэнергетика.
Необходимость в автоматизации процессов разработки КД подтверждается следующими сложностями ручного способа её подготовки:
ручной ввод текста сопряжен с возникновением ошибок (опечатки, пропущенные фрагменты и т. п.);
с ростом номенклатуры компонентов изделия увеличивается трудоемкость ручного контроля комплексности внесения изменений в документацию;
использование программ, совмещающих ввод содержания с оформлением, является причиной возможного нарушения единообразия внешнего вида однотипной документации и, как следствие, причиной несоответствия вида публикаций действующим стандартам.
С ростом сложности изделий перечисленные недостатки ручного способа оформления ведут к стремительному ухудшению качества разрабатываемых документов, что, соответственно, увеличивает последующие затраты на их корректировку. Новые алгоритмы разработки документации позволяют обеспечить:
использование централизованного хранилища PDM-системы для постоянного накопления данных о целевых связях;
безошибочность воспроизведения дублирующихся данных;
комплексность и точность внесения изменений в документацию;
единообразие и соответствие внешнего вида документов действующим стандартам;
поиск аналогичных изделий с целью применения имеющейся информации в новых разработках;
комплексную интеграцию процесса подготовки документов с PDM-системами.
Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная исследованию и формализации методов и алгоритмов автоматизации разработки КД на изделия приборостроения, является актуальной.
Целью диссертационной работы является формализация и исследование методов и алгоритмов автоматизации процесса разработки КД на изделия приборостроения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ методов и алгоритмов, применяемых в современных САПР изделий приборостроения для решения задач формирования КД.
-
Провести анализ процесса разработки документации на примере комплектов, необходимый для формализации процесса их документирования в виде алгоритма.
-
Разработать методы формирования и представления ЭСИ, содержащей целевые связи.
-
Разработать алгоритмы поиска аналогичных изделий, электронная структура которых содержит целевые связи.
-
Формализовать алгоритм автоматизированной разработки КД на изделия, электронная структура которых содержит целевые связи.
-
Реализовать разработанные методы и алгоритмы в виде программного обеспечения.
Предметом исследования является процесс разработки средств автоматизированного документирования изделий приборостроения.
Методы исследования. Для достижения поставленных задач использовались теории множеств, матриц, графов и методология унифицированного процесса.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложены новые методы формирования и представления ЭСИ на изделия, электронная структура которых содержит целевые связи.
-
Предложен алгоритм поиска аналогов, позволяющий сократить трудоемкость разработки новых изделий посредством анализа информации о целевых связях.
-
Формализован алгоритм разработки КД на изделия приборостроения, электронная структура которых содержит целевые связи.
-
Разработана объектно-ориентированная модель предложенных алгоритмов, которая позволяет автоматизировать процесс их реализации в виде программного обеспечения.
Практическая значимость диссертационной работы характеризуется внедрением её результатов в производственный процесс предприятия ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», а также в учебный процесс Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики. Эффективность программы заключается в следующем:
снижена доля низкоквалифицированного труда в процессе разработки КД, связанного с рутинными операциями копирования фрагментов данных;
примененные в программе методы формирования ЭСИ и алгоритмы позволили сократить трудоемкость проектирования изделий в 4 раза;
минимизирован риск совершения ошибок ручного набора данных, возникающих вследствие проявления человеческого фактора.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Методы формирования и представления ЭСИ, содержащей целевые связи.
-
Алгоритм формирования КД на изделия, электронная структура которых содержит целевые связи.
-
Алгоритм поиска аналогичных изделий, электронная структура которых содержит целевые связи.
Практические и теоретические результаты прошли апробацию в виде обсуждения на конференциях регионального и всероссийского уровня:
-
XII, XIII, XIV конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2010, 2011, 2012 гг.);
-
Всероссийская научно-техническая конференция аспирантов, студентов и молодых ученых «Информатика и вычислительная техника» ИВТ-2010, ИВТ-2011 (УлГТУ, 2010, 2011 гг.);
-
VIII всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (СПб ГУ ИТМО 2011 г.);
-
I всероссийский конгресс молодых ученых (СПб НИУ ИТМО, 2012 г.);
-
XL, XLI, XLII научная и учебно-методическая конференция (СПб ГУ ИТМО, 2011 г., СПб НИУ ИТМО, 2012, 2013 гг.);
По результатам доклада, представленного на XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», состоявшейся в 2010 г., исследования по теме диссертации поддержаны грантом, реализованным в рамках программы «У.М.Н.И.К.».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Материалы изложены на 142 страницах машинописного текста с поясняющими рисунками и таблицами.
